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Technical Report NTB 95-09

Some Variations of the Kristallin-I Near-Field Model

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Das Projekt Kristallin-I ist eine umfassende Analyse der Endlagerung verglaster hochaktiver Abfälle (HAA) im kristallinen Grundgebirge der Nordschweiz. Es schliesst unter anderem eine Analyse der radiologischen Folgen einer Nuklidfreisetzung aus dem Endlager ein. Diese Analyse stützt sich auf eine Kette unabhängiger Modelle für das Nahfeld, die Geosphäre und die Biosphäre. Bei der Entwicklung solcher Modelle wurden Prozesse berücksichtigt, die sicherheitsrelevant erscheinen, während andere Prozesse vernachlässigt wurden. Im vorliegenden Bericht werden vereinfachte stationäre Modelle des Endlagernahfeldes entwickelt, um die möglichen Auswirkungen spezifischer, im zeitabhängigen Nahfeldmodell von Kristallin-I vernachlässigter Prozesse zu untersuchen. Diese Prozesse wurden vernachlässigt, da es (i) entweder unwahrscheinlich erscheint, dass sie in bedeutendem Masse stattfinden, oder (ii) obwohl sie positiv zur Wirkung der Nahfeldbarriere beitragen, jedoch zu wenig verstanden werden, um in der Sicherheitsanalyse berücksichtigt zu werden. Dieser Bericht soll nun untersuchen, ob die Argumente, mit denen die Vernachlässigung solcher Prozesse begründet wurde, gerechtfertigt sind.

Dieser Bericht hat folgende Schwerpunkte:

  • Radionuklidtransport an der Grenzfläche Bentonit-Wirtgestein: Das Kristallin-I Nahfeldmodell erlaubt die Wahl zwischen zwei Randbedingungen an dieser Grenzfläche. (i) Entweder kann die Radionuklidkonzentration auf Null gesetzt werden (was mathematisch einem unbegrenzten Wasserfluss entspricht), oder (ii) der diffusive Fluss aus dem Bentonit kann gleich dem advektiven Fluss ins Wirtgestein gesetzt werden. Die zweite Randbedingung liefert für grosse Flussraten die gleichen Resultate wie die erste, weil dann die Radionuklidkonzentration an der Grenzfläche gegen Null strebt. Für die in Kristallin-I verwendeten Parameterwerte und für Darcy-Geschwindigkeiten grösser als etwa 10-11 m s-1 zeigen stationäre Rechnungen, dass die Radionuklidfreisetzung unabhängig von der Flussrate wird. Setzt man hingegen die im Referenzfall von Kristallin-I verwendete (kleinere) Darcy-Geschwindigkeit ein, ist die resultierende Radionuklidfreisetzung ungefähr um eine Grössenordnung kleiner. Dies zeigt, dass Rechnungen unter Verwendung der zweiten Randbedingung eine wesentlich bessere Nahfeld-Barrierenwirkung ergeben können.
  • Absinken der Stahlbehälter im Bentonit: Im Nahfeldmodell von Kristallin-I wird angenommen, dass das durch Kriechverformung des Bentonits verursachte langfristige Absinken der Stahlbehälter vernachlässigbar ist. Stationäre Berechnungen zeigen nun, dass selbst im Falle von grösseren Verschiebungen nur begrenzte Auswirkungen auf die Radionuklidfreisetzung zu erwarten sind. So erhält man bei einem angenommenen Absinken der Behälter um die Hälfte der maximal möglichen Distanz eine Zunahme der Freisetzung um weniger als 20%. Somit ist es unwahrscheinlich, dass die radiologischen Folgen signifikant unterschätzt werden, wenn man das Absinken der Stahlbehälter in den Nahfeldrechnungen vernachlässigt, selbst wenn die Verschiebungen wesentlich grösser waren als erwartet.
  • Chemische Bedingungen und Radionuklidtransport an der Grenzfläche Glas-Bentonit: Im Nahfeldmodell von Kristallin-I wird eine mögliche Barrierenwirkung undichter Behälter konservativerweise vernachlässigt. In Wirklichkeit hingegen erwartet man, dass die Behälter durch Riss-oder Lochbildung lokal undicht werden, jedoch immer noch eine Barriere für den Radionuklidtransport darstellen. Deshalb wurde ein stationäres Modell entwickelt, um die Barrierenwirkung lokal beschädigter Behälter zu quantifizieren. Dabei wurde angenommen, dass die Radionuklide durch eine schmale, 1 μm bis 1 cm breite kreisförmige Öffnung diffundieren, die mit Wasser oder mit Bentonit gefüllt ist. Stationäre Rechnungen für eine solche mit Bentonit gefüllte Öffnung zeigen, dass der dadurch gebildete Transportwiderstand die Freisetzungsraten wesentlich reduziert; und zwar bis zu einer Grössenordnung für eine 1 cm breite Öffnung und bis zu 4 Grössenordnungen für eine 1 μm breite Öffnung. Das deutet darauf hin, dass durch die Vernachlässigung des Transportwiderstandes solcher Öffnungen allzu konservative Ergebnisse berechnet werden. Ferner wird im Nahfeldmodell von Kristallin-I angenommen, dass trotz der möglichen Bildung von Oxidantien infolge von Radiolyse des Wassers an der Oberfläche der verglasten Abfälle reduzierende Bedingungen im Bentonit herrschen werden. Würden aber solche Oxidantien tief in den Bentonit eindringen, hätte dies für viele redox-sensitive Radionuklide eine lokale Zunahme der Löslichkeitslimite und eine Abnahme der Sorptionskonstante zur Folge, was zu grösseren Radionuklidfreisetzungsraten ins Wirtgestein führen würde. Unsere Rechnungen zeigen, dass unter realistischen Bedingungen solche Oxidantien kaum in den Bentonit eindringen können. Selbst bei sehr konservativen Annahmen für den Zeitpunkt des BehäIterversagens und für den Abbau der Oxidantien durch Eisen(II) im Bentonitporenwasser beträgt die berechnete Eindringtiefe der Redoxfront in den Bentonit weniger als 2 cm.

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